(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが導入される内管と、前記内管の外方に設けられ、前記内管との間で受熱通路を形成する外管と、一側面が前記外管の外周部に接触するとともに他側面が冷却部材の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、前記内管を開閉する開閉弁とを備えた熱電発電装置であって、
前記内管が、前記内管内を流れる排気ガスの排気方向上流側に形成され、前記内管の内部と前記受熱通路とを連通する上流側連通部と、前記排気方向下流側に設けられ、前記内管の内部と前記受熱通路とを連通する下流側連通部と、前記上流側連通部に対して前記排気方向上流側に設けられ、前記内管の流路面積を絞る絞り部とを有し、
前記開閉弁が、前記下流側連通部に対して前記排気方向の下流側に設けられ、前記内管内を流れる前記排気ガスの圧力が小さいときに、前記開閉弁により前記内管の下流側が閉塞され、前記絞り部の排気方向下流側で負圧が発生することにより前記内管内を流れる前記排気ガスが前記下流側連通部を通して前記受熱通路に導入され、前記内管内を流れる前記排気ガスの流れと逆方向に流れることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記冷却部材は、冷却水が流通する冷却水管から構成され、前記冷却水管は、冷却水を前記排気方向上流側から前記排気方向下流側に向かって流すことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記内管は、第１の内管と、前記第１の配管に対して前記排気方向下流側に設けられた第２の内管とを備え、
前記第２の配管の流路面積よりも第１の配管の前記排気方向下流側の流路面積が小さくなるように前記第１の配管の少なくとも前記排気方向下流側を縮径して前記絞り部を形成し、
前記第１の配管の前記排気方向下流端と前記第２の配管の前記排気方向上流端との間に形成された隙間によって前記上流側連通部が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記内管は、前記排気方向上流側から前記排気方向下流側に向かって前記受熱通路の流路面積が大きくなるように、前記内管の前記排気方向上流側の流路面積に対して前記排気方向下流側の流路面積が小さく形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記開閉弁が、前記下流側連通部に対して前記排気方向の下流側に設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱エネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。
【０００３】
従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管の外周面に熱電変換モジュールの高温側の一側面を接触させるとともに、熱電変換モジュールの低温側の他側面を冷却水が流通する冷却水管に接触させたものが知られている。
【０００４】
この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温側となる受熱基板および低温側となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気管と温度の低い冷却水管により、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。
【０００５】
ところで、熱電変換モジュールの発電効率は、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間の温度差が大きくなるほど大きくなるが、熱電変換素子として多用される、例えばＢｉ−Ｔｅ系の熱電材料を使用した熱電変換モジュールは、耐熱温度が２００℃程度であり、Ｍｇ−Ｓｉ系熱の熱電材料を使用した熱電変換モジュールは、耐熱温度が５００℃程度である。
【０００６】
このため、耐熱温度を超えると熱電変換モジュールの熱電変換素子やケーブル等が熱害を受けて損傷してしまうことがあり、却って発電効率が低下しまうおそれがある。したがって、熱電変換モジュールを用いる場合には高温側の温度を耐熱温度以下のなるべく高い温度にすることで、最も良い発電効率を得られるようにする必要がある。
【０００７】
従来、熱電変換モジュールの熱害を防止しつつ、発電効率を向上させることができるようにした熱電発電装置としては、例えば、特許文献１参照に記載されたものが知られている。
【０００８】
この熱電発電装置は、内燃機関から排出された排気ガスが導入される内管としての排気管と、排気管の外方に設けられ、排気管と共に受熱通路としての遮熱空間を画成する外管と、一側面である高温側が外管の外周部に接触するとともに、他側面である低温側が冷却水管に接触し、高温側と低温側との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、排気管の内部に設けられ、排気管を開閉する開閉弁とを備えている。
【０００９】
また、この熱電発電装置は、排気管の排気方向上流側に形成され、排気管の内部と遮熱空間とを連通する排気ガス導入通路と、排気管の排気方向下流側に設けられ、排気管の内部と遮熱空間とを連通する排気ガス排出通路とを備えている。
【００１０】
このような構成を有する熱電発電装置は、熱電変換モジュールの使用上限温度以上に温度が上昇する場合には、開閉弁を開方向に駆動し、排気ガス導入通路を通して排気管と遮熱空間を連通することにより、遮熱空間内に流れる排気ガスの流量を低減させる。
【００１１】
このため、遮熱空間を断熱層として作用させることにより、熱電変換モジュールの高温側の表面温度を下げて、熱電変換モジュールの温度がさらに上昇するのを防止することにより熱電変換モジュールが破損するのを防止することができる。
【００１２】
また、エンジンの始動直後や、アイドリング時等のように排気ガスの温度が低いときには、開閉弁を閉じ、遮熱空間に排気ガスを積極的に流すことにより、熱電変換モジュールの高温側の温度を早期に上昇させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−１８０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、このような従来の熱電発電装置にあっては、熱電変換モジュールの使用上限温度以上に温度が上昇する場合には、開閉弁を開方向に駆動し、排気ガス導入通路を通して排気管と遮熱空間を連通するようにしているので、受熱通路を流れる排気ガスは、遮熱空間の上流側の熱電変換モジュールによって排気ガスの熱量の多くが奪われてしまい、遮熱空間の下流側において排気ガスの熱量が低下してしまう。
【００１５】
このため、遮熱空間の上流側と遮熱空間の下流側とで排気ガスの熱量のばらつきが発生してしまい、下流側の熱電変換モジュールの発電効率が上流側の熱電変換モジュールに比べて低下し、結果的に熱電変換モジュールの全体の発電効率が低下してしまうという問題が発生してしまった。
【００１６】
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、熱電変換モジュールの熱害による損傷を防止しつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる熱電発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、（１）内燃機関から排出された排気ガスが導入される内管と、前記内管の外方に設けられ、前記内管との間で受熱通路を形成する外管と、一側面が前記外管の外周部に接触するとともに他側面が冷却部材の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、前記内管を開閉する開閉弁とを備えた熱電発電装置であって、前記内管が、前記内管内を流れる排気ガスの排気方向上流側に形成され、前記内管の内部と前記受熱通路とを連通する上流側連通部と、前記排気方向下流側に設けられ、前記内管の内部と前記受熱通路とを連通する下流側連通部と、前記上流側連通部に対して前記排気方向上流側に設けられ、前記内管の流路面積を絞る絞り部とを有し、前記開閉弁が、前記下流側連通部に対して前記排気方向の下流側に設けられ、前記内管内を流れる前記排気ガスの圧力が小さいときに、前記開閉弁により前記内管の下流側が閉塞され、前記絞り部の排気方向下流側で負圧が発生することにより前記内管内を流れる前記排気ガスが前記下流側連通部を通して前記受熱通路に導入され、前記内管内を流れる前記排気ガスの流れと逆方向に流れるものから構成されている。
【００１８】
この熱電発電装置は、内管が、内管内を流れる排気ガスの排気方向上流側に形成され、内管の内部と受熱通路とを連通する上流側連通部と、排気方向下流側に設けられ、内管の内部と受熱通路とを連通する下流側連通部と、上流側連通部に対して排気方向上流側に設けられ、内管の流路面積を絞る絞り部とを有するので、絞り部の排気方向下流側の排気ガスの流速を増加させることができ、絞り部の排気方向下流側でベンチュリ効果による負圧を発生させることができる。
【００１９】
このため、上流側連通部を通して受熱通路に負圧が発生するため、開閉弁によって内管が閉塞されると、内管を流れる排気ガスが下流側連通部を通して受熱通路に導入されて、内管内を流れる排気ガスの流れと逆流し、上流側連通部を通して再び内管に導入される。すなわち、受熱通路に内管内の排気ガスと逆流する排気ガスの流れを生成することができる。
【００２０】
また、内燃機関から内管に排出された新規の排気ガスは、上流側連通部を通して内管に導入された熱回収後の排気ガスと混合されて内管から下流側連通部を通して受熱通路に導入される。
【００２１】
このため、排気方向上流側の熱電変換モジュールに高温の新規の排気ガスを直接接触させないようにすることができる。したがって、排気方向上流側の熱電変換モジュールの熱電変換素子やケーブル等が排気ガスの熱害を受けて損傷するのを防止することができる。
【００２２】
また、下流側連通部を通して受熱通路に導入された新規の排気ガスと熱回収後の排気ガスとの混合ガスは、受熱通路内を排気方向上流側に移動するにつれて冷却部材によって熱を奪われるが、この混合ガスは、内管に導入された新規の排気ガスの放射熱によって温められることで熱量を回復することができる。
【００２３】
このため、受熱通路内を流れる排気ガスの温度を略均一にすることができ、熱電変換モジュールの高温側の一側面と低温側の他側面との温度差が排気方向にばらついてしまうのを防止して、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【００２４】
上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記冷却部材は、冷却水が流通する冷却水管から構成され、前記冷却部材は、冷却水を前記排気方向上流側から前記排気方向下流側に向かって流すように構成されている。
【００２５】
この熱電発電装置は、冷却水管内を流れる冷却水が、排気方向上流側から排気方向下流側に向かって流れるので、冷却水の流れる方向を受熱通路を流れる排気ガスの方向と逆方向にすることができる。
【００２６】
すなわち、受熱通路を流れる高温の排気ガスと冷却水管を流れる低温の冷却水との向きが同一方向（並流）である場合よりも、受熱通路を流れる高温の排気ガスと冷却水管を流れる低温の冷却水との向きが向かい合わせ（向流）である場合の方が対数平均温度差を大きくすることができる。この結果、排気ガスと冷却水の向きが並流の場合よりも熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。
【００２７】
上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記内管は、第１の内管と、前記第１の配管に対して前記排気方向下流側に設けられた第２の内管とを備え、前記第２の配管の流路面積よりも第１の配管の前記排気方向下流側の流路面積が小さくなるように前記第１の配管の少なくとも前記排気方向下流側を縮径して前記絞り部を形成し、前記第１の配管の前記排気方向下流端と前記第２の配管の前記排気方向上流端との間に形成された隙間によって前記上流側連通部を形成したものから構成されている。
【００２８】
この熱電発電装置は、内管が、第１の内管と第１の配管に対して排気方向下流側に設けられた第２の内管とから構成され、第２の配管の流路面積よりも第１の配管の排気方向下流側の流路面積が小さくなるように第１の配管の少なくとも排気方向下流側を縮径して絞り部を形成したので、絞り部の加工を容易に行うことができる。
【００２９】
また、第２の配管の流路面積よりも第１の配管の排気方向下流側の流路面積が小さくなるように第１の配管を排気方向に亘って同一径とすれば、第１の内管の下流側の流路断面を絞らずに第２の内管の流路面積を大きくすることができる。この結果、第１の内管の下流端から第２の内管に導入される排気ガスの流速を大きくしつつ、第１の内管の下流端から第２の内管に導入される排気ガスの圧力損失が低下するのを防止することができる。
【００３０】
上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記内管は、前記排気方向上流側から前記排気方向下流側に向かって前記受熱通路の流路面積が大きくなるように、前記配管の前記排気方向上流側の流路面積に対して前記排気方向下流側の流路面積が小さく形成されるように構成されている。
【００３１】
この熱電発電装置は、受熱通路の流路面積が排気方向下流側から排気方向上流側に向かうに従って小さく形成されるので、受熱通路を逆流する混合ガスの流速を排気方向下流側から排気方向上流側に向かって上昇させることができる。
したがって、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスの流速が上昇すると、排気ガスから熱電変換モジュールへの伝熱効率を向上させることができるため、結果的に熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。
【００３２】
上記（１）〜（４）に記載の熱電発電装置において、（５）前記開閉弁が、前記下流側連通部に対して前記排気方向の下流側に設けられるものから構成されている。
この熱電発電装置は、開閉弁が、下流側連通部に対して排気方向の下流側に設けられるので、開閉弁が閉じられると、内管内の新規の排気ガスと熱回収された排気ガスとの混合ガスが下流側連通部を通して受熱通路に導入された後、上流側連通部を通して受熱通路に発生した負圧によって受熱通路に逆流させることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、熱電変換モジュールの熱害による損傷を防止しつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる熱電発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備えるエンジンの排気系の概略構成図である。
【図２】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の断面図である。
【図３】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電変換モジュールの斜視図である。
【図４】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の断面図である。
【図５】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、他の構成を有する熱電発電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、熱電発電装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。
【００３６】
（第１の実施の形態）
図１〜図３は、本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。
【００３７】
排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。
【００３８】
球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。
【００３９】
排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。
【００４０】
この触媒５、６のうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５は、所謂、スタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであり、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒６は、所謂、メインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。
【００４１】
これらの触媒５、６は、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。
【００４２】
エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。
【００４３】
この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。
ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。
【００４４】
また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
【００４５】
例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。
バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。
【００４６】
このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。
【００４７】
また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。
【００４８】
このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。
【００４９】
一方、エンジン１の排気系には、熱電発電装置１７が設けられており、この熱電発電装置１７は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。
【００５０】
図２に示すように、熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスが導入される内管２１と、内管２１の外方に設けられるとともに内管２１との間で受熱通路２２を形成し、下流端がテールパイプ１９に連結される外管２３とを備えている。
【００５１】
内管２１は、上流側の排気管４に連結された第１の内管としての上流側内管２５と、上流側内管２５に対して排気ガスの排気方向下流側に設けられ、環状の支持部材２４を介して外管２３に固定される下流側内管２６とを備えている。
【００５２】
また、上流側内管２５および下流側内管２６の内部によって排気ガスが流れる排気通路３８が形成されており、排気管４から内管２１に排出された排気ガスは、排気通路３８を通してテールパイプ１９に排出された後、テールパイプ１９から外気に排出される。
【００５３】
なお、本発明において熱電発電装置１７において定義される排気ガスの排気方向とは、内管２１を流れる排気ガスの排気方向のことを指すものであり、上流および下流とは、この排気方向に対する方向である。すなわち、熱電発電装置１７に対して上流側とはエンジン１側であり、下流側とはテールパイプ１９側である。
【００５４】
このため、後述するように受熱通路２２を流れる排気ガスの方向が排気通路３８の排気ガスの流れ方向と反対方向であっても、受熱通路２２を流れる排気ガスは、表現上、排気方向の下流側から上流側に流れるものとする。
【００５５】
また、熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２７と冷却部材としての筒状の冷却水管２８とを備えている。
【００５６】
図３に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するＮ型熱電熱電変換素子３１およびＰ型熱電熱電変換素子３２が複数個設置されており、Ｎ型熱電熱電変換素子３１およびＰ型熱電熱電変換素子３２が電極３３ａ、３３ｂを介して交互に直列に接続されている。また、隣接する熱電変換モジュール２７は、配線３５を介して電気的に接続されている。
【００５７】
この熱電変換モジュール２７は、一側面である受熱基板２９が外管２３の外周部２３ａに接触するとともに、他側面である放熱基板３０が冷却水管２８の内周部２８ｃに接触しており、排気ガスの排気方向に並列に設置されている。なお、図１では、受熱基板２９および放熱基板３０を省略して熱電変換モジュール２７を簡略化している。
【００５８】
そして、熱電変換モジュール２７は、受熱基板２９と放熱基板３０との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、ケーブル３４を介してバッテリに電力を供給するようになっている。
なお、熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、外管２３および冷却水管２８の間に密着させる必要があるため、外管２３および冷却水管２８は、多角形に形成されている。
【００５９】
さらに、外管２３および冷却水管２８は、円形であってもよい。この場合には、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。
冷却水管２８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２８ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２８ｂを備えている。
【００６０】
この冷却水管２８は、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水が排気ガスの排気方向と同方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向下流側に設けられている。このため、冷却水は、後述するように受熱通路２２に流れる排気ガスの流れと逆方向に流れる。
【００６１】
一方、上流側内管２５の下流側には絞り部２５ａが形成されており、この絞り部２５ａの流路面積Ａは、下流側内管２６の流路面積Ｂよりも小さくなっている。また、上流側内管２５の下流端と下流側内管２６の上流端との間には上流側連通部としての連通路３６が形成されており、この連通路３６は、上流側内管２５および下流側内管２６の内部である排気通路３８と受熱通路２２とを連通している。
【００６２】
また、連通路３６に対して排気方向下流側には下流側連通部としての連通孔３７が形成されている。この連通孔３７は、下流側内管２６の円周方向に等間隔に形成されており、排気通路３８と受熱通路２２とを連通している。なお、連通孔３７は、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６３】
また、支持部材２４には支持部材２４の円周方向に亘って等間隔に連通孔２４ａが形成されており、受熱通路２２は、連通孔２４ａを通してテールパイプ１９に連通している。なお、連通孔２４ａは、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６４】
また、下流側内管２６には開閉弁３９が設けられており、この開閉弁３９は、連通孔３７に対して下流側に設けられ、下流側内管２６を開閉するように外管２３に回動自在に取付けられている。この開閉弁３９は、排気通路３８を流れる排気ガスの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。
【００６５】
すなわち、開閉弁３９は、排気ガスの圧力が低いエンジン１のアイドリング時や低負荷走行時には、図２に実線で示すように、下流側内管２６を閉塞することにより、下流側内管２６に導入された排気ガスを受熱通路２２に導入する。
【００６６】
また、開閉弁３９は、排気ガスの圧力が高いエンジン１の高負荷走行時には、図２に破線で示すように、下流側内管２６を解放する。このため、熱電発電装置１７は、排気ガスの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止することができる。
【００６７】
次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。
【００６８】
この状態からエンジン１が始動されると、エンジン１の始動に伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に、例えば３００〜４００℃の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスにより昇温されることになる。
また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２を経てエンジン１に戻されることによって暖機運転が行われることになる。
【００６９】
エンジン１の冷間始動時には、例えば、エンジン１のアイドリングが行われて排気ガスの圧力が低いため、開閉弁３９が閉じた状態となる。このため、排気管４から上流側内管２５を通して排気通路３８に導入された排気ガスが受熱通路２２に導入され、受熱通路２２を通過する排気ガスによって冷却水管２８を流通する冷却水が昇温され、エンジン１の暖機が促される。
【００７０】
また、エンジン１の暖機後のエンジン１が低負荷走行時には、排気ガスの温度が高温となっても排気ガスの圧力が低いため、開閉弁３９が閉じた状態となる。このため、排気管４から上流側内管２５を通して排気通路３８に導入された排気ガスが受熱通路２２に導入される。このときには、熱電変換モジュール２７によって排気ガスの熱エネルギーを圧力エネルギーに効率よく変換される。
【００７１】
また、エンジン１の高負荷走行時には、エンジン１の冷却性能を高める必要がある。エンジン１の高負荷走行時には、例えば、エンジン１が高回転となって排気ガスの圧力が高くなるため、下流側内管２６に導入された排気ガスの圧力が高くなり、開閉弁３９が解放される。
【００７２】
開閉弁３９が解放されると、排気通路３８とテールパイプ１９が連通し、排気ガスは、受熱通路２２を流れることがなく、排気通路３８からテールパイプ１９に直接、排出される。このため、高温の排気ガスによって冷却水管２８を流通する冷却水が昇温されることがない。
【００７３】
このとき、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。また、エンジン１の高負荷走行時には開閉弁３９が解放されるので、排気通路３８を流れる排気ガスの背圧が高くなることがなく、排気ガスの排気性能が低下するのを防止することができる。
【００７４】
次いで、暖機終了後のエンジン１の低負荷走行時の熱電発電装置１７の作用を説明する。
排気ガスの圧力が小さいと、開閉弁３９によって下流側内管２６が閉塞され、排気通路３８とテールパイプ１９との連通が遮断される。
【００７５】
本実施の形態の熱電発電装置１７は、内管２１が、上流側内管２５と、上流側内管２５に対して下流側に設けられた下流側内管２６とを備え、上流側内管２５の下流端に、下流側内管２６の流路面積Ｂよりも小さい流路面積Ａを構成する絞り部２５ａを形成した。
【００７６】
そして、上流側内管２５の下流端と下流側内管２６の上流端との間に形成された隙間によって排気通路３８と受熱通路２２とを連通する連通路３６を形成し、連通路３６に対して下流側の下流側内管２６の部位に排気通路３８と受熱通路２２とを連通する連通孔３７を形成した。
【００７７】
このため、上流側内管２５から下流側内管２６に導入される排気ガスは、上流側内管２５の下流端に形成された絞り部２５ａを通過するときに流速が増加され、絞り部２５ａの排気方向下流側でベンチュリ効果による負圧が発生する。
【００７８】
絞り部２５ａの下流端と下流側内管２６の上流端との間には排気通路３８と受熱通路２２とを連通する連通路３６が形成されているため、連通路３６を通して受熱通路２２に負圧が発生する。
【００７９】
このため、下流側内管２６を流れる排気ガスが連通路３６よりも下流に設けられた連通孔３７を通して受熱通路２２に導入されて、下流側内管２６を流れる排気ガスの流れと逆流する流れとなる。なお、図２では、排気通路３８における排気ガスの流れをＧ１で示し、受熱通路２２における排気ガスの流れをＧ２で示す。
【００８０】
このため、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスが熱電変換モジュール２７の一側面である受熱基板２９に作用し、冷却水管２８を流通する低温の冷却水が熱電変換モジュール２７の他側面である放熱基板３０に作用することにより、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９と放熱基板３０との間の温度差によって発電が行われる。そして、発電された電力は、ケーブル３４を介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。
【００８１】
一方、受熱通路２２を流れる排気ガスは、連通路３６を通して再び下流側内管２６に導入される。エンジン１から排気管４を通して上流側内管２５に排出された新規の排気ガスは、連通路３６を通して下流側内管２６に導入された熱回収後の排気ガスと混合されて下流側内管２６から連通孔３７を通して受熱通路２２に導入される。
【００８２】
このため、上流側の熱電変換モジュール２７に高温の新規の排気ガスを直接接触させないようにすることができ、上流側の熱電変換モジュール２７のＮ型熱電熱電変換素子３１やＰ型熱電熱電変換素子３２、あるいは、ケーブル３４が排気ガスの熱害を受けて損傷するのを防止することができる。
【００８３】
また、上流側の冷却水管２８に伝達される排気ガスの熱量を少なくすることができるため、冷却水が高温になるのを抑制することができ、冷却水管２８が破損したり、エンジン１の冷却性能が低下するのを防止することができる。
【００８４】
また、冷却水の温度が上昇するのを抑制することができるため、排気ガスと冷却水との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【００８５】
また、連通孔３７を通して受熱通路２２に導入された新規の排気ガスと熱回収後の排気ガスとの混合ガスは、受熱通路２２内を上流側に移動するにつれて冷却水管２８を流通する冷却水によって熱を奪われるが、上流側内管２５を通して下流側内管２６に導入された新規の排気ガスの放射熱によって温められることで熱量が回復する。
【００８６】
このため、受熱通路２２内を流れる排気ガスの温度を略均一にすることができ、熱電変換モジュール２７の高温側の受熱基板２９と低温側の放熱基板３０との温度差が排気方向にばらつくのを防止して、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【００８７】
また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、冷却水管２８を流れる冷却水Ｗが排気方向上流側から排気方向下流側に向かって流れるので、冷却水管２８を流れる冷却水Ｗの方向を、受熱通路２２を逆流する排気ガスの方向と逆方向にすることができる。
すなわち、本実施の形態の熱電発電装置１７は、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスと冷却水管２８を流れる低温の冷却水との向きが同一方向（並流）である場合に比べて、図２に示すように、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスＧ２と冷却水管２８を流れる低温の冷却水Ｗとの向きを向かい合わせ（向流）にすることで、対数平均温度差を大きくすることができる。この結果、排気ガスと冷却水の向きが並流の場合よりも熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。
【００８８】
ここで、従来のように、例えば、受熱通路２２の上流側の排気ガスの温度が受熱通路２２の下流側の排気ガスの温度よりも高温になる場合には、受熱通路２２の上流側で冷却水が沸騰するおそれがある。このため、排気ガスの排気方向と冷却水の流れる方向が排気方向の上流側から下流側に向かって同方向に流れる（並流）ようにした方が、受熱通路２２の上流側の冷却水の温度が沸騰するのを防止する上で効果的であるが、この場合には、対数平均温度差が小さくなって発電効率が低下してしまう。
【００８９】
本実施の形態では、受熱通路２２内を流れる排気ガスの温度を略均一にすることができるので、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスＧ２と冷却水管２８を流れる低温の冷却水Ｗとの向きを向かい合わせ（向流）にすることによって、対数平均温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができるのである。
また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、上流側内管２５の下流端に絞り部２５ａを形成して絞り部２５ａの下流側に負圧を発生させることができるため、負圧を発生させるための絞り部２５ａの加工を容易に行うことができる。
【００９０】
また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、開閉弁３９を、連通孔３７に対して下流側に設けたので、開閉弁３９が閉じられると、下流側内管２６の新規の排気ガスと熱回収された排気ガスとの混合ガスが連通孔３７を通して受熱通路２２に確実に導入され、連通路３６を通して受熱通路２２に発生した負圧によって受熱通路２２に確実に逆流することになる。
【００９１】
なお、本実施の形態の開閉弁３９は、冷却水温に応じて開閉させるようにしてもよい。例えば、下流側配管１８ｂを流通する冷却水温に感応して作動するサーモスタットに開閉弁３９を連結し、下流側配管１８ｂを流通する冷却水の温度が所定値以上になった場合には、サーモスタットによって開閉弁３９を解放するように構成する。
【００９２】
このようにすれば、冷却水が沸騰する前に開閉弁３９を解放して排気通路３８とテールパイプ１９とを連通して受熱通路２２に排気ガスが流れないようにすることができ、冷却水が蒸発するのを防止することができ、エンジン１の冷却性能を向上させることができる。
【００９３】
（第２の実施の形態）
図４、図５は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図４において、内管４１は、上流側の排気管４に連結された第１の内管としての上流側内管４２と、上流側内管４２に対して排気ガスの排気方向下流側に設けられ、支持部材２４を介して外管２３に固定されるとともに、テールパイプ１９に連結された第２の内管としての下流側内管４３とを備えている。
【００９４】
また、上流側内管４２および下流側内管４３の内部によって排気ガスが流れる排気通路４６が形成されており、排気管４から内管４１に排出された排気ガスは、排気通路４６を通してテールパイプ１９に排出された後、テールパイプ１９から外気に排出される。
【００９５】
また、上流側内管４２の流路面積Ａ１は、排気方向に亘って同一となるように上流側内管４２は、同一径に形成されており、下流側内管４３は、下流側内管４３の流路面積Ｂ１が上流側内管４２の流路面積よりも大きくなるように上流側内管４２よりも大きい内径を有している。
【００９６】
本実施の形態の熱電発電装置１７の内管４１は、上流側内管４２が絞り部を構成し、排気ガスは、上流側内管４２で排気ガスの流速が増加されて下流側内管４３に導入される。このため、上流側内管４２の下流側に負圧が発生する。
【００９７】
また、上流側内管４２の下流端と下流側内管４３の上流端との間には上流側連通部としての連通路４４が形成されており、この連通路４４は、上流側内管４２および下流側内管４３の内部である排気通路４６と受熱通路２２とを連通している。
【００９８】
また、連通路４４に対して排気方向下流側には下流側連通部としての連通孔４５が形成されている。この連通孔４５は、下流側内管４３の円周方向に等間隔に形成されており、排気通路４６と受熱通路２２とを連通している。なお、連通孔４５は、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００９９】
また、下流側内管４３の下流側には絞り部４３ａが形成されており、絞り部４３ａによって下流側内管４３の下流部の流路面積は、上流部よりも小さくなっている。このため、受熱通路２２の流路面積は、下流側よりも上流側が小さくなり、受熱通路２２を流れる排気ガスの流速は、下流側から上流側に向かって、すなわち、連通孔４５から連通路４４に向かって大きくなる。
【０１００】
本実施の形態では、上流側内管４２から下流側内管４３に導入される排気ガスは、絞り部を構成する上流側内管４２を通過するときに流速が増加され、上流側内管４２の下流側でベンチュリ効果による負圧が発生する。
【０１０１】
上流側内管４２の下流端と下流側内管４３の上流端との間には排気通路４６と受熱通路２２とを連通する連通路４４が形成されているため、連通路４４を通して受熱通路２２に負圧が発生する。
【０１０２】
このため、下流側内管４３を流れる排気ガスが連通路４４よりも下流に設けられた連通孔４５を通して受熱通路２２に導入されて、下流側内管４３を流れる排気ガスの流れと逆流する流れとなる。なお、図４では、排気通路３８における排気ガスの流れをＧ３で示し、受熱通路２２における排気ガスの流れをＧ４で示す。
【０１０３】
このため、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスが熱電変換モジュール２７の受熱基板２９に作用し、冷却水管２８を流通する低温の冷却水が熱電変換モジュール２７の放熱基板３０に作用することにより、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９と放熱基板３０との間の温度差によって発電が行われる。そして、発電された電力は、ケーブル３４を介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。
【０１０４】
一方、受熱通路２２を流れる排気ガスは、連通路４４を通して再び下流側内管４３に導入される。エンジン１から排気管４を通して上流側内管４２に排出された新規の排気ガスは、連通路４４を通して下流側内管４３に導入された熱回収後の排気ガスと混合されて下流側内管２６から連通孔３７を通して受熱通路２２に導入される。
【０１０５】
このため、上流側の熱電変換モジュール２７に高温の新規の排気ガスを直接接触させないようにすることができ、上流側の熱電変換モジュール２７のＮ型熱電熱電変換素子３１やＰ型熱電熱電変換素子３２、あるいは、ケーブル３４が排気ガスの熱害を受けて損傷するのを防止することができる。
【０１０６】
また、冷却水管２８に伝達される排気ガスの熱量を少なくすることができるため、冷却水が高温になるのを抑制することができ、冷却水管２８が破損したり、エンジン１の冷却性能が低下するのを防止することができる。
【０１０７】
また、冷却水の温度が上昇するのを抑制することができるため、排気ガスと冷却水との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【０１０８】
また、連通孔４５を通して受熱通路２２に導入された新規の排気ガスと熱回収後の排気ガスとの混合ガスは、受熱通路２２内を上流側に移動するにつれて冷却水管２８を流通する冷却水によって熱を奪われるが、上流側内管４２を通して下流側内管４３に導入された新規の排気ガスの放射熱によって温められることで熱量が回復する。
【０１０９】
このため、受熱通路２２内を流れる排気ガスの温度を略均一にすることができ、熱電変換モジュール２７の高温側の受熱基板２９と低温側の放熱基板３０との温度差が排気方向にばらつくのを防止して、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【０１１０】
また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、冷却水管２８を流れる冷却水の排気方向上流側から排気方向下流側に向かって流れるので、冷却水管２８を流れる冷却水の方向を、受熱通路２２を逆流する排気ガスの流れる方向と逆方向にすることができる。この結果、排気ガスと冷却水の向きが並流の場合よりも熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。
【０１１１】
また、第１の実施の形態の熱電発電装置１７は、上流側内管２５の下流側に絞り部２５ａを形成したので、絞り部２５ａで排気ガスの圧力損失が発生する可能性がある。本実施の形態では、下流側内管４３の流路面積Ｂ２よりも上流側内管４２の流路面積Ａ１が小さくなるように上流側内管４２を排気方向に亘って同一径とした。
【０１１２】
このため、上流側内管４２の下流側の流路断面を絞らずに下流側内管４３の流路面積を大きくすることができ、上流側内管４２の下流端から下流側内管４３に導入される排気ガスの流速を大きくしつつ、上流側内管４２の下流端から下流側内管４３に導入される排気ガスの圧力損失が低下するのを防止することができる。
【０１１３】
また、本実施の形態では、下流側内管４３の下流側に絞り部４３ａを形成し、絞り部４３ａによって下流側内管４３の下流部の流路面積を上流部よりも小さくすることにより、受熱通路２２の流路面積を下流側よりも上流側が小さくなるように構成している。
【０１１４】
このため、受熱通路２２を流れる混合ガスの流速を下流側から上流側に向かって速くすることができる。したがって、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスの流速が上昇すると、排気ガスから熱電変換モジュール２７への伝熱効率を向上させることができるため、結果的に熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。
【０１１５】
なお、本実施の形態では、下流側内管４３の下流側に絞り部４３ａを形成し、絞り部４３ａによって下流側内管４３の下流部の流路面積を上流部よりも小さくすることにより、受熱通路２２の流路面積を下流側よりも上流側が小さくなるように構成しているが、これに限定されるものではない。
【０１１６】
すなわち、図５に示すように、上流側内管４２と共に内管４１を構成し、連通孔５２を有する下流側内管５１を設け、この下流側内管５１の流路面積Ｂ３を、排気方向の上流から下流に向かって小さくすることにより、受熱通路２２の流路面積を下流側よりも上流側が小さくなるように構成してもよい。このようにしても、上述した本実施の形態の効果を得ることができる。なお、下流側内管５１は、第２の内管を構成し、連通孔５２は、下流側連通部を構成している。
【０１１７】
以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールの熱害による損傷を防止しつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。
【符号の説明】
【０１１８】
１  エンジン（内燃機関）
４  排気管
１７  熱電発電装置
２１、４１  内管
２２  受熱通路
２３  外管
２３ａ  外周部
２５、４２  上流側内管（第１の内管）
２５ａ  絞り部
２６、５１  下流側内管（第２の内管）
２７  熱電変換モジュール
２８  冷却水管（冷却部材）
２８ｃ  内周部
２９  受熱基板（熱電変換モジュールの一側面）
３０  放熱基板（熱電変換モジュールの他側面）
３６、４４  連通路（上流側連通部）
３７、４５、５２  連通孔（下流側連通部）
３９  開閉弁
４２  下流側内管（第２の内管、絞り部）
【図１】
0005691999.tif 000002
【図２】
0005691999.tif 000003
【図３】
0005691999.tif 000004
【図４】
0005691999.tif 000005
【図５】
0005691999.tif 000006